陶瓷模具材料的表面改性技术及应用

全面综述了表面镀层、表面复合、表面涂覆等表面改性技术在各类陶瓷模具中应用、研究的现状.指出:表面改性技术既能发挥陶瓷材料的高硬度、高耐磨和耐高温等的优势,又能发挥金属基体高强度、高韧性的特点,从而使得陶瓷模具材料具有良好的使用性能,具有广阔的应用前景.今后研究的重点是如何通过表面改性工艺的控制和复合层材料的合理选择和设计,使得所形成的陶瓷复合层与金属基体结合强度高,硬度高,既减摩又耐磨.     

多元梯度自润滑陶瓷刀具材料的研制

针对均质自润滑陶瓷刀具材料不能合理兼顾减摩性能及耐磨性能的难题,运用功能梯度材料的设计思想研制出一种梯度自润滑陶瓷刀具材料。这种新型自润滑刀具材料的特征是固体润滑剂由其表层向内层梯度减少,并且材料表层存在残余压应力。提出多元梯度材料的组成分布模型,按该模型得出的组分梯度设计结果,采用粉末叠层铺填与真空热压烧结工艺制备Al2O3/TiC/CaF2梯度自润滑陶瓷刀具材料。该梯度自润滑陶瓷刀具材料的显微结构呈现出与组成分布一致的梯度变化,表层形成了残余压应力,其抗弯强度、硬度和断裂韧度分别比相应的均质材料提高了21%、16%和5.9%。材料强度的提高主要是由于CaF2由表层到中间层梯度减少,硬度和断裂韧度的提高归因于材料表层的残余压应力。以Al2O3/TiC/CaF2梯度自润滑陶瓷刀具和相应的均质自润滑陶瓷刀具对45钢进行干切削试验,结果表明,梯度刀具的耐磨性能优于均质刀具。     

纳米陶瓷及其增韧补强研究

当前国内对纳米改性、纳米复合陶瓷的研究已经有了一些成果，但是与国外尚有较大差距，没有形成系统的理论基础，特别是增韧补强机理方面还没有统一的认识。本文主要对目前纳米陶瓷的特性及其研究现状和增韧补强机理进行了概括、总结和分析。并指出了今后需要解决的问题。     

石墨烯纳米片增韧Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料

以石墨烯纳米片作为增强相,采用热压烧结工艺制备石墨烯纳米片增韧Al_2O_3基纳米复合陶瓷刀具材料。进行石墨烯纳米片分散实验,研究石墨烯纳米片添加量对刀具材料断裂韧度、抗弯强度和硬度的影响,观察其微观结构和形貌。结果表明:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为石墨烯纳米片的优选分散剂,当PVP添加量为石墨烯纳米片质量的60%时,分散效果最佳;当石墨烯纳米片添加量为0.75%(体积分数)时,刀具材料的断裂韧度和抗弯强度分别达到7.1MPa·m^1/2和663MPa,与未添加石墨烯纳米片的组分相比分别提高了31%和15%;石墨烯纳米片呈卷曲状结构弥散分布于基体材料中,其增韧机理为石墨烯纳米片拉断、拔出和裂纹偏转。与未添加石墨烯的刀具相比,添加石墨烯纳米片的刀具的主切削力、切削温度和前刀面摩擦因数明显降低,表现出良好的减摩、耐磨性。     

陶瓷涂层刀具切削灰铸铁的试验研究

为了探究陶瓷涂层刀具涂层材质、基体材质对切削性能的影响,试验采用四种陶瓷涂层刀具连续干切削灰铸铁,测试了切削力和切削温度的变化情况以及后刀面的磨损量和已加工表面的粗糙度。结果表明,在刀具基体同为Si_3N_4的条件下,涂层材质为Ti N/Al_2O_3/Ti C的刀具比Ti N/Al_2O_3的切削性能好;在涂层材质同为Ti N的条件下,刀具基体Al_2O_3/Ti CN比Al_2O_3/Ti C的切削性能好。研究发现:四种陶瓷涂层刀具前刀面磨损形式均为微崩刃和月牙洼,后刀面磨损形式均为磨粒磨损和粘着磨损,涂层的磨损形式均为剥落和扩散磨损。     

石墨烯增韧Al_2O_3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料的制备及其微观结构分析

采用热压烧结工艺制备了石墨烯增韧Al_2O_3/Ti(C,N)纳米复合陶瓷刀具材料,测试了石墨烯垂直于(VHPD)和平行于热压方向(PHPD)上的力学性能,研究了石墨烯取向对其力学性能和微观结构的影响。测试结果表明石墨烯具有明显的增韧补强作用,石墨烯的取向对刀具材料的抗弯强度具有明显的各向异性。当石墨烯含量为0.75 vol%时,VHPD方向上的抗弯强度达到667 MPa,较未添加石墨烯的组分提高了16%;PHPD方向的抗弯强度为575 MPa,断裂韧性达到7.1 MPa·m1/2。采用扫面电子显微镜(SEM)对材料进行了微观结构分析,结果表明石墨烯拉断和拔出是其主要增韧形式。石墨烯在基体材料中具有明显取向特征,石墨烯片层之间相互平行,且垂直于热压方向。     

Al2O3和ZrO2纳米粉体悬浮液稳定性研究

获得均匀分散的纳米粉体悬浮液是制备高性能纳米复合陶瓷材料的关键一步.选用纳米粉Al2O3和纳米粉ZrO2,采用单一的空间位阻稳定机制,以PEG为分散剂,以无水乙醇为分散介质,分别制备了1%(体积分数,下同)的Al2O3和ZrO2无水乙醇悬浮液.通过添加不同分子量的PEG,调节PEG的添加量及悬浮液的pH值,并辅以沉降实验,最终得到了最佳分散条件下的高分散、高稳定的Al2O3和ZrO2无水乙醇悬浮液.TEM观察发现:ZrO2悬浮液中颗粒彼此分开,无明显的颗粒团聚现象.这说明该分散工艺能很好地破坏颗粒间的团聚现象,避免颗粒间的聚集沉淀,具有良好的分散效果.     

纳米CaF2对自润滑陶瓷材料力学性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备一种添加纳米固体润滑剂CaF2的新型自润滑陶瓷材料,其力学性能显著高于添加微米CaF2的自润滑陶瓷材料,并且断裂韧性高于不含CaF2的复合陶瓷材料。结果表明:烧结后纳米CaF2主要位于基体晶粒内部,形成晶内型纳米结构。相比于添加微米CaF2,添加纳米CaF2时复合陶瓷材料的弹性模量增加了34%,这是材料硬度改善的主要原因。纳米CaF2诱发的穿晶断裂有助于提高复合陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,裂纹偏转是添加纳米CaF2的复合陶瓷材料的主要增韧机制。